CH476299A - Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Messwandlers und nach diesem Verfahren hergestellter Wandler - Google Patents

Description

  



  Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Messwandlers und nach diesem
Verfahren hergestellter Wandler
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Messwandlers mit im Wandlergehäuse in einer Vorspannhülse eingeschlossenem Messkristallsatz und einem im Anschlussstutzen des Wandlergehäuses bzw. eines Gehäuseeinsatzes angeordneten, gegen das Gehäuse isolierten, mit dem Messkristallsatz leitend verbundenen Steckanschluss für eine Messleitung, über die die vom Messkristallsatz erzeugte Ladung ableitbar ist.



   Nach den bisher gebräuchlichen Herstellungsmethoden piezoelektrischer Messwandler wird zunächst die Vorspannhülse mit dem darin eingelegten Messkristallsatz am Wandlergehäuse bzw. an einem Einsatz des Wandlergehäuses, in der Regel durch Anschweissen, befestigt. Ein mit dem Messkristallsatz leitend verbundener Ableitungsdraht wird dabei durch eine den Wandler axial durchsetzende Bohrung hindurchgeführt, worauf das freie Ende des Ableitungsdrahtes mit der noch vom Wandler getrennten Anschlussbuchse leitend verbunden und hierauf die Anschlussbuchse in eine zuvor in den Anschlussstutzen des Wandlergehäuses eingeführte, in der Regel aus  Teflon  bestehende Isolierhülse eingepresst wird.



   Ein anderes bekanntes Herstellungsverfahren verwendet vorgefertigte, mit Keramikisolation versehene Anschlussstecker, welche nach dem eigentlichen Zusammenbau des Messwandlers und nach Herstellung der erforderlichen leitenden Verbindung in einer letzten Arbeitsoperation unter Vakuum oder in einer Edelgasatmosphäre durch eine Ringbuckelschweissung mit dem Anschlussstutzen des Gehäuses verschweisst werden.



   Der Hauptnachteil der bekannten Herstellungsverfahren besteht nun darin, dass beim Anschweissen der Anschlussbuchsen am Wandlergehäuse hohe Temperaturen auftreten, welche leicht zu einer Beschädigung des bereits eingebauten Messkristallsatzes führen können und die ausserdem Wärmedehnungen zur Folge haben können, welche die bereits voreingestellte Vorspannung des Messkristallsatzes verändern. Bei Verwendung von Isolatoren aus  Teflon  lässt häufig auch die Dichtheit an der Verbindungsstelle des Steckanschlusses mit dem ihn umgebenden Isolierkörper zu wünschen übrig, so dass die Betriebssicherheit des Wandlers, z. B. durch Eindringen von Feuchtigkeit, beeinträchtigt wird.



   Das erfindungsgemässe Verfahren gibt nun erstmals eine Herstellungsmethode für piezoelektrische Messwand  ler    an, welche die genannten Nachteile beseitigt und die sich vorzüglich für eine radionelle Serienfertigung von Messwandlern eignet. Hierzu ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass der Steckanschluss in den Anschlussstutzen eingesetzt und mit diesem durch Einschmelzen, Einschweissen oder Einlöten hermetisch dicht verbunden wird, erst dann der Messkristallsatz in das Wandlergehäuse eingesetzt und mit dem Steckanschluss leitend verbunden wird, worauf der Zusammenbau aller übrigen Wandlerteile erfolgt.

   Auf diese Weise erzielt man, unabhängig von der Formgebung und der Materialwahl für den Steckanschluss, einen dauerhaften hermetischen Abschluss des Wandlerinneren und vermeidet zugleich jede Beschädigung temperaturempfindlicher Wandlerteile durch die bei der Schweiss- oder Lötarbeit anfallenden hohen Temperaturen.



   Die Wandlermontage nach dem erfindungsgemässen Verfahren lässt sich auch durch einfache Hilfsvorrichtungen und dergleichen weitgehend rationalisieren. Besondere Sicherheitsvorkehrungen gegen mechanische Beschädigungen empfindlicher Wandlerteile müssen nicht getroffen werden, da die Montage dieser Teile, insbesondere des Messkristallsatzes, erst nach Fertigstellung des Steckanschlusses erfolgt.



   Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen gemäss der Zeichnung näher erläutert. In den Fig. 1 bis 3 ist je ein Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Messwandlers gemäss der Erfindung im Axialschnitt dargestellt.



   Der Messwandler nach Fig. 1 besitzt ein abgesetzt hohlzylindrisches Gehäuse 1 mit darin eingepasstem, mehrfach abgestuftem Gehäuseeinsatz 2, der eine durch gehende abgesetzte Längsbohrung 3 aufweist und dessen oberer verjüngter Abschnitt einen Anschlussstutzen 4 für die nicht dargestellte Messleitung zu einem dem Messwandler nachgeschalteten Ladungsverstärker bildet.



  Der Steckanschluss des Wandlers besteht aus einer in die Längsbohrung 3 zentrisch eingesetzten, mit einer Sackbohrung 5 versehenen zylindrischen Buchse 6, die durch einen von einer Glaseinschmelzung gebildeten Isolierund Dichtkörper 7 gegen den Anschlussstutzen 4 des Gehäuseeinsatzes 2 elektrisch isoliert und abgedichtet ist.



   Die Buchse 6 besitzt einen nach innen gerichteten hohlzylindrischen Fortsatz 8, in den das freie Ende eines die Längsbohrung 3 axial durchsetzenden Kontaktbolzens 9 hineinragt. Das andere Ende dieses Kontaktbolzens 9 ist an einer scheibenförmigen Ableitelektrode 10 angeschweisst, welche sich unter Beilage einer mittig durchbohrten Scheibe 11 aus piezoelektrischem Material, z. B. Quarz, an der inneren Stirnfläche 12 des Gehäuseeinsatzes 2 abstützt. An die Ableitelektrode 10 schliesst der von drei gleichfalls aus piezoelektrischem Material bestehenden Scheiben 13 gebildete eigentliche Messkristallsatz des Wandlers an. Der Messkristallsatz stützt sich über eine beigelegte Ausgleichsscheibe 14 am Boden 15 einer als Rohrfeder ausgebildeten Vorspannhülse 16 ab, welche entlang ihres inneren verstärkten Randes 17 an einem Zentrierrand 18 des Gehäuseeinsatzes 2 angeschweisst ist.

   Der Messkristallsatz ist innerhalb der Vorspannhülse 16 durch eine Isolierhülse 19, z. B. aus Teflon, zentriert.



   Das Wandlergehäuse 1 ist an der der Messstelle zugekehrten Seite durch eine angeschweisste, am Boden 15 der Vorspannhülse 16 anliegenden Plattenfedermembrane 20 abgeschlossen.



   Bei der Montage des Wandlers wird zunächst der Steckanschluss durch Einsetzen der Buchse 6 in den Anschlussstutzen 4 des Gehäuseeinsatzes 2 und Einschmelzen des aus Glas bestehenden Isolier- und Dichtkörpers 7 in den Zwischenraum zwischen Buchse 6 und Anschlussstutzen 4 hergestellt. Ernst dann erfolgt der Einbau des aus den Scheiben 11 und 13, der Elektrode 10 und der Ausgleichsscheibe 14 bestehenden Messelementes. Der mit der Ableitelektrode 10 verbundene Kontaktbolzen 9 dringt dabei in den hohlen Fortsatz 8 der Buchse 6 ein und stellt damit die erforderliche leitende Verbindung zwischen der Buchse 6 und der Ableitelektrode 10 her. Sodann werden die übrigen Wandlerteile, wie Vorspannhülse 16, Wandlergehäuse 1 und Plattenfedermembrane 20, in bekannter Weise montiert.



   Diese Wandlerausführung zeichnet sich durch eine wesentliche Vereinfachung des auf das Einschmelzen der Buchse in den Anschlussstutzen folgenden Arbeitsschrittes aus, da mit dem Einsetzen des Messkristallsatzes durch den Kontaktbolzen zugleich auch die leitende Verbindung zwischen der Ableitelektrode und der Anschlussbuchse des Wandlers hergestellt wird.



   Das mehrfach abgesetzte Gehäuse 21 des Messwandlers nach Fig. 2 enthält einen abgesetzt zylindrischen Gehäuseeinsatz 22 mit durchgehender Längsboh  rung 23.    In den Anschlussstutzen 24 des Gehäuseeinsatzes 22 ist der Steckanschluss des Wandlers eingesetzt, welcher aus einer Isolierhülse 25 aus keramischem Material mit einer eingeschweissten bzw. eingelöteten Anschlussbuchse 26 besteht. Die Isolierhülse 25 ist ihrerseits mit dem Anschlussstutzen 24 verschweisst bzw. verlötet. Sie ist zu diesem Zweck im Bereich der beiden   Schweiss- bzw.    Lötstellen 27 und 28 oberflächenmetallisiert.



   An der inneren Stirnseite der Buchse 26 ist ein federnder Ableitungsdraht 29 befestigt, welcher die Längsbohrung 23 innerhalb eines Isolierrohres 30 durchsetzt und dessen freies Ende durch die zentrale Bohrung 31 der scheibenförmigen Ableitelektrode 32 des piezoelektrischen Messelementes hindurchgeführt und in einer an der äusseren Stirnseite der Elektrode 32 vorgesehenen Vertiefung mit der Elektrode verschweisst oder verlötet ist.



   Zwischen der Elektrode 32 und der inneren Stirnfläche des Gehäuseeinsatzes 22 ist ein Ring 33 aus piezoelektrischem Material eingelegt. An der Aussenfläche der Elektrode 32 liegt eine das eigentliche Messelement bildende Scheibe 34 aus piezoelektrischem Material und an dieser eine Ausgleichsscheibe 35 an.



  Die Vorspannhülse sowie die   Isolierhülse    entsprechen den Bauteilen 16 und 19 des Ausführungsbeispieles der Fig. 1.



   Das Gehäuse 21 ist gegen die Messstelle hin durch eine angeschweisste Hülse 36 mit Membranboden 37 abgeschlossen.



   Der Zusammenbau des Wandlers nach Fig. 2 erfolgt in der gleichen Reihenfolge wie beim erstgenannten Ausführungsbeispiel. Es wird also zunächst der Steckanschluss 25, 26 in den Anschlussstutzen 24 eingeschweisst oder eingelötet, worauf das über die Längsbohrung 23 des Gehäuseeinsatzes 22 hinausragende freie Ende des Ableitungsdrahtes 29 durch die Bohrung 31 der Ableitelektrode 32 hindurchgesteckt und mit der Ableitelektrode verschweisst oder verlötet wird.



  Der weitere Zusammenbau des Wandlers erfolgt in bekannter Weise. Die hoch hitzebeständige Isolierhülse gestattet eine Verwendung des Wandlers auch im Bereich sehr hoher Betriebstemperaturen, wobei der bei der Montage hergestellte hermetische Abschluss auch im Dauerbetrieb erhalten bleibt. Darüber hinaus besteht der fertigungstechnische Vorteil, dass die von der Anschlussbuchse, dem Ableitungsdraht und der Isolierhülse gebildete Baueinheit in rationeller Weise in Serie vorgefertigt werden kann.



   Bei der Wandlerbauart nach Fig. 3 bildet das Wandlergehäuse 38 selbst den Anschlussstutzen 39 für die nicht dargestellte Messleitung. Die mehrfach abgestufte Längsbohrung 40 des Gehäuses 38 enthält einen abgesetzt zylindrischen Gehäuseeinsatz 41 mit angeschweisster Vorspannhülse 42. Zwischen dem Boden 43 der Vorspannhülse und der inneren Stirnfläche des Einsatzes 41 befindet sich das aus Scheiben 44 aus piezoelektrischem Material, zwei Ableitelektroden 45 und 46 sowie einer Ausgleichsscheibe 47 bestehende Messelement des Wandlers. Von den Elektroden 45 und 46 gehen zwischen zwei konzentrischen Isolierrohren 48 und 49 geführte Ableitdrähte 50 und 51 aus.

   Die Ableitdrähte 50 und 51 durchsetzen zwei parallele, mit Isolierrohren 52 und 53 ausgekleidete Längsbohrungen des Gehäuseeinsatzes sowie zwei innerhalb des Anschlussstutzens 39 angeordnete, in eine Isolierscheibe 54 aus keramischem Material hart eingelötete hohle Steckerstifte 55. Die Enden der Ableitdrähte 50 und 51 sind an ihrer Austrittsstelle am äusseren Ende der Steckerstifte 55 mit diesen hart verlötet. Die Isolierscheibe 54 ist ihrerseits in eine abgesetzt zylindrische Blechhülse 56 hart eingelötet. Der den grösseren Durchmesser aufweisende Rand 57 der Blechhülse 56 ist innerhalb des Anschlussstutzens 39 in die Bohrung 40 hart eingelötet.



   Bei dieser Wandlerausführung besteht die Möglichkeit, den Gehäuseeinsatz 41 mit der Vorspannhülse   42    samt dem darin eingeschlossenen Messkristallsatz als vormontierte Baueinheit in Serie vorzufertigen. Die Reihenfolge der Arbeitsschritte beim endgültigen Zusammenbau des Wandlers entspricht dem auch bei den Wandlerausführungen nach Fig. 1 und 2 angewendeten Herstellungsverfahren. Die serienmässig getrennt von den übrigen Wandlerteilen gefertigten Steckanschlüsse sind wegen der Verwendung einer Blechhülse als verbinden des Zwischenglied zum Einlöten in den   Anschluss-    stutzen des Wandlers besonders gut geeignet. Die Blechhülse stellt ausserdem ein Ausgleichselement für die unterschiedlichen Wärmedehnungen des Isolierkörpers und des Anschlussstutzens dar.

   Ein weiterer Vorteil dieser Wandlerbauart ist dadurch gegeben, dass die Anschlussstellen der vom Messkristallsatz ausgehenden Ableitdrähte an den Steckerstiften sehr gut zugänglich sind, so dass sich das Verlöten der Drahtenden mit den Steckerstiften besonders einfach gestaltet.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Messwandlers mit im Wandlergehäuse in einer Vorspannhülse eingeschlossenem Messkristallsatz und einem im Anschlussstutzen des Wandlergehäuses bzw. eines Gehäuseeinsatzes angeordneten, gegen das Gehäuse isolierten, mit dem Messkristallsatz leitend verbundenen Steckanschluss für eine Messleitung, über die die vom Messkristallsatz erzeugte Ladung ableitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steckanschluss in den Anschlussstutzen eingesetzt und mit diesem durch Einschmelzen, Einschweissen oder Einlöten hermetisch dicht verbunden wird, erst dann der Messkristallsatz in das Wandlergehäuse eingesetzt und mit dem Steckanschluss leitend verbunden wird, worauf der Zusammenbau aller übrigen Wandlerteile erfolgt.

   II. Piezoelektrischer Messwandler, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch I, dessen im Wandlergehäuse eingeschlossener Messkristallsatz mit einem im Anschlussstutzen des Wandlergehäuses isoliert angeordneten Steckanschluss für die Messleitung elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens ein SLec:tverbindungselement (6, 26, 55) umfassende Steckanschluss mit einem Isolationskörper (7, 25, 54) und der Isolationskörper mit dem Anschlussstutzen (4, 24, 39) hermetisch dicht verbunden und das Steckverbindungselement (6, 26, 55) mittels eines innerhalb des Wandlergehäuses isoliert angeordneten Leiters (9, 29, 50, 51) mit dem Messkristallsatz elektrisch verbunden ist.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Piezoelektrischer Messwandler nach Patentanspruch II mit einem ein Steckverbindungselement umfassenden Steckanschluss, dadurch gekennzeichnet, dass das Steckverbindungselement als zylindrische Buchse (6) mit einer Sackbohrung (5) zur Aufnahme eines Anschlusssteckers der Messleitung ausgebildet und die Buchse (6) im Anschlussstutzen (4) in eine Glaseinschmelzung (7) eingebettet ist und einen nach innen gerichteten, in einer Längsbohrung (3) des Gehäuseeinsatzes (2) verlaufenden hohlzylindrischen Fortsatz (8) aufweist, der mit einem an der Ableitelektrode (10) des Messkristallsatzes befestigten Kontaktbolzen (9) eine Steckverbindung bildet (Fig. 1).

   2. Piezoelektrischer Messwandler nach Patentanspruch II mit einem ein Steckverbindungselement umfassenden Steckanschluss, dadurch gekennzeichnet, dass das Steckverbindungselement aus einer Anschlussbuchse (26) besteht und in eine Isolierhülse (25) aus keramischem Material eingeschweisst oder eingelötet ist und an der inneren Stirnseite der Buchse (26) ein den Gehäuseeinsatz (22) des Wandlers in einem Isolierrohr (30) durchsetzender und mit dem freien Ende an der Ableitelektrode (32) des Messkristallsatzes angeschlossener federnder Ableitungsdraht (29) befestigt ist (Fig. 2).

   3. Piezoelektrischer Messwandler nach Patentanspruch II mit einem zwei Steckverbindungselemente umfassenden Steckanschluss, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschlussstutzen (39) eine abgesetzt zylindrische Blechhülse (56) mit einer darin hart eingelöteten Isolierscheibe (54) aus keramischem Material befestigt ist und die Steckverbindungselemente von zwei axial durchbohrten, die Isolierscheibe (54) durchsetzenden und in diese hart eingelöteten Steckerstiften (55) gebildet sind, durch die jeweils mit einer der beiden Ableitelektroden (45, 46) des Messkristallsatzes verbundene Ableitdrähte (50, 51) hindurchgeführt sind und die Ableitdrähte (50, 51) an den Austrittsstellen am äusseren Ende der Steckerstifte (55) mit diesen hart verlötet oder verschweisst sind (Fig. 3).